TW201041195A - Split-thermo-electric structures - Google Patents

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201041195 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於熱電技術之領域。具體言之’本發明是 關於用於冷卻、加熱及/或發電之熱電系統的設計特性。 【先前技術】 已藉由開發出具有高優值（figure-of-merit)(通常由z 表示）值之進階熱電材料使熱電能量轉換技術取得顯著進 展，藉此： Z = a2ke/kt 方程式（1 ) 其中· α =熱電西白克（Seebeck)係數 kt=總熱導率； ke=電導率。 在熱電裝置中’轉換效率取決於所涉及之具體材料及 温差。然而，藉由目前可用之熱電模組，隨著熱側與冷側 之間的溫度梯度增加，熱電材料未必在其最佳溫度（亦即， 此時優值最大）下工作。此歸因於所使用之極短熱電臂（亦 即’歸因於短長度之P、n團塊（pellet )(有時1 至2 mm))，此導致熱區與冷區彼此靠近。結果，單層熱電臂必 須能夠在寬溫度範圍内起作用。 熱電結構之幾何形狀與材料之物理性質共同確定熱電 模組之總體效能。對於熱電發電，此等參數與模組功率夂 201041195 mi 關係在文獻中為熟知的且可表達為. p a2NA*(Th-Tc)2 2r(L + r/rc)(l + 2(Λ/AC)(LC/方程式（2 ) 其中： P 為模組功率 N 為元件之數目 0 為模組熱侧溫度 L 為元件長度 r 為電阻率（//A：e ) 义 為模組之熱阻率（"d a 為西白克係數 A 為元件之面積 Tc 為模組冷側溫度 L。 為絕緣陶究之厚度 〇 rc 為接觸電阻率。 為接觸熱阻率。 考慮方程式（2 )並忽略各個接觸面處之界面阻力，功 率之表達式可簡化為： Ρ_ α2ΝΑ(ΑΤγ_ ~~'方程式（3 ) ;程式（2)及方程式（3)，減少熱接面與冷接面 之間的間隔距離 L 一方面可增強發電。另一方面，歸因於 5 201041195 增加之溫度梯度77 Z1L)所致的熱擴散之效應以及同一 熱電材料在大溫度範圍内之效能可引起熱電模組之總體效 能的顯著惡化。 在由同一申請人申請的同在申請中之國際專利申請案 PCT/IL2009/000666中’廣泛地論述標準熱電模組所固有之 各種約束、限制及阻礙，該國際專利申請案（包括其中所 引用之公開案）之描述以引用方式併入本文中。 發明者在此PCT申請案中採取之方針為提議對典型熱 電模組之基本結構的改變’此實際上解決了現有標準熱電 模組之多數限制及不利約束。 … 圖1A及圖1B分別說明電流 電子及電洞穿經

，，一 U 不您 XI f•塊及p型團塊之流動方向。若跨越該等團塊之末端維 持-電壓’則根據泊耳帖（pehier)效應，將建立熱梯度， 且熱將自標記為Th之側傳遞至標記為Tc之側。或者，若 持熱側與冷側之間的熱梯度’則發生西白克效應，亦即’， 電流將以所指示之方向姐兮笙閲地 方白d以團塊。應注意，熱通量在 電何載流子之流動方Α ρ t . ^ 飞動方向上流動，該方向為電流在 體團塊中之流動方干导 反。 方向但與電流在n型團塊中之流動方向相 广》干导體對展示於 · , 々ATJ饮不％、_ 1B中之兩個團塊已電串聯連接且因此熱並聯連接。一 定先前技術熱Μ置包含—模組，該模一 -所示個至299個或更多η.ρ團塊 = 在一起且由金屬化_板支撑。視應用而定，兩個^ 201041195 以上模組可共同起作用以增加所傳遞之熱量或所產生之電 力。 為達成說明之目的’圖1D象徵性地展示一典型先前技 術熱電模組10之—部分，該熱電模組1〇夾在與熱源12熱 接觸之中間基板12·及與散熱器14熱接觸之中間基板14,之 間。模組10包含藉由金屬導體片18電串聯連接之若干對p 型半導體元件16P及N型半導體元件16n。與DC電源之正 ◎ 極及負極之外部電連接分別由連接22及24象徵性地展 不。該等半導體元件熱並聯連接。為將團塊固持在適當位 置且使結構穩定，將半導體元件16P及16N之頂部及底部按 壓於陶瓷板20之間。在該圖中，箭頭指示熱流之方向。 由發明者在上文引用之PCT申請案中提議之熱電結構 的特徵化特徵為使用分裂式結構，藉此該等p、n元件各自 刀裂成由中間連接器電連接且熱連接的兩個或兩個以上團 塊。該分裂式結構示意性地說明於圖2A至圖2C中。基本 q 上’該等P、n元件各自分裂成藉由中間連接26電連接且 熱連接的兩個團塊16’ρ，ν及16’’ρ，ν。圖2Α示意性地展示分 裂式模組之散熱侧’其包含附接至若干對ρ、η團塊ι6，ρν 之支撐層28,。圖2Β示意性地展示分裂式模組之吸熱側， 其包含附接至若干對ρ、η團塊16，_P，Ni支撐層28"。如在 先前技術中’該若干對團塊16·Ρ與16n及團塊16、與16"n 藉由金屬導體片18連接，該等金屬導體片18附接至支樓 層或如下文中所描述嵌入於支撐層中。圖2C示意性地展示 整個分裂式模組’其中該模組之吸熱側及散熱側上之各別 7 201041195 P、11團塊藉由中間連接器26連接。應注意，為清楚起見， 僅展示中間連接器26之一半。為保持所需之優值z，位於 遠知熱源12側的p、n團塊i 6 p n與位於遠端散熱器^則 的P、n團塊16'n之間的多個中間連接％由高導電性且高 導熱性材料製成。 在本文中，以下術語具有以下含義： -術語「層」及「團塊」在本文中可互換使用以表示 熱電結構中之p型半導體材料或η型半導體材料。 臂」為將熱電結構之吸熱側與散熱側熱連接且電 連接的熱電結構。熱電結構通f包含熱並聯連接且電串聯 連接之複數對P型臂與n型臂。簡單之臂是由p型半導體 材料或η型半導體材料之兩個團塊或薄層及傳導材料之一 中間層構成，Μ兩個團塊或薄層分別沈積或附接至熱電結 構之吸熱側及散教側，命φ ρ弓思讲λ _ 双.、、、側°亥中間層插入於每一此對團塊/層之 間且用以將該對中之圍拔/廢雷；查接Β # 土 图鬼/滑電連接且熱連接。較複雜之臂 可具有—熱電鏈之結構，該熱電鏈由例如η個層之一或多 個團塊/層及η-1個中藤如ti·、 j — ]層、成，該n個團塊/層插入於該結 構之每一側上之團塊/居之問， 曰之門且該η-1個中間層將該等團 塊/層中之每一者連接至相繼者。 」' ί'連接層」、「連 以指代將臂中之若 —術語「層」、「中間層」、「傳導層 接器」及「導體」在本文中可互換使用 干對半導體層連接的傳導材料。 201041195 _ —術語不對稱性」及「不對稱的」在本文中用以指 示在根據本發明之給定埶雷 ._ ^ “、、電結構中，在該結構之吸熱侧及 政熱側處之層中，所使用之材料的尺寸、類型及所使用之 材料的熱參數、電參數及熱電參數不相同。類似地 該裝置之不同臂中之埶啻a„ ”、、電層及連接層的材料不具有相同性 質。因此，本發明之社椹

、冓了具有不對稱之吸熱側或散敎側 及/或不對稱之臂。 ' J Ο ο 由於分裂式結構，支樘恳，Ο.丄 再叉β層28、28未必為硬質的，且因 此’（例幻分別熱耗合至熱源12及散熱器14的可挽性支 撐層可替換先前技術之硬質陶究板。且，根據本發明，熱 及散熱器14不必與中間基板⑽Μ，實際實體接觸， 2在較佳具體實射，其與支撐層或與熱電元件自身直接 熱接觸。適用於本發明之古嫂 ,、 支擇層28、28"可視應用而採取許 夕不同形式。通常，製成該等支撐 可撓性的、可變形的或易於整形的 / ，、、’ 性的且 、登^/的以匹配與其熱接觸之軌 源或散熱器或中間基板的輪# * ' … 將由-般術語「可撓性支=2 樓層K、28'， 必須使用之硬的“代以將其與先前技術中 理解=硬的、脆性陶莞基板區分開。儘管如此，仍應 理解，在本說明書及中請詞範圍中對「可撓性 之引用不意欲必須意謂該等支 」 心代具有如本文所描述之其他性質的層。將在下文中描述 該等支撐層之具體實例的典型實例。 此分裂式結構之結果之— 此門F Μ而n ν 為熱源與散熱器可定位成彼 ^ η 者之特定結構或定向有任何限制。 9 201041195 在某種意義上，此使熱側及冷側處之熱傳遞的機制彼此獨 立且脫離熱電模組之核心。此外，藉由分裂式結構，可顯 著縮短熱電材料長度L’同時成功地維持溫度梯度。 上述分裂式熱電結構之特徵化特徵示意性地說明於圖 扣中。為清楚起見’圖4D展示基本具體實例，其中p、n 元件各自分裂成藉由中間連接26電連接且熱連接的兩個元 件【6以及16p，n。如在先前技術中，若干對元件A與‘ 及若干對元件16、與16，N藉由附接至支樓層Μ,』,,之金 屬導體片料接，支㈣28.、28，.與中間基板12，及14，熱 接觸’中間基板12，及14,又分別藉由熱麵合構件12"及14，， 熱耦合至熱源12及散熱器14。與先前技術相反根據本發 明，熱源12及散熱器14不必與中間基板12，及14，實際實 體接觸。在該圖中’外部電子電路象徵性地展示為3〇。對 於發電，電路30包含由電阻器32象徵性地展示之外部負 載構件。對於加熱及冷卻應用，用沉電源替換電阻器32。 應注意，習知模組中對p、n元件與硬陶瓷板之極平坦 表面及其間之均-接觸的要求對熱電元件之橫截面a施加 實際限制，此對總模組功率具有限制效應（見方程式（2 在分裂式熱電結構中，消除了此等限制；因此，變得有可 能將熱源侧及散熱器側處之熱電材料的高度減少至所要之 最小厚度。此外，團塊之橫截面面積A可增加。結果，p、 η團塊之實際高度及橫截面面積是根據具體實體系統來確 定，且不僅受熱電模組組態所限制。極重要的是，注意到 分裂式結構使得在熱側及冷側處能夠使用具有不同尺寸之 10 201041195 ，塊且亦能夠使用由不同熱電材料製成之團塊。如早先所 此為重要的’因為熱電材料之性質及特性是依溫度 此吾人在特U用中可選擇在冷區及熱區處 對於特定溫度將給出最好結果的材料。 因此，分裂式熱電結構之概念促成藉由消除陶莞板且 =為利用替代薄的可撓性支撐層（例如，料印刷材料） ^咸少界面熱阻。熱側及冷側上之可撓性支制無需由同

材料製成。然而，支樓層之材料必須具有非導電性及在 熱侧上耐高溫之所需物理性f。圖3A至圖3d示意性地展 不可將Ρ、η團塊整合至支撐層中的各種方式。為達成說明 目的’僅展示該結構之高溫侧上的支撐層。該等團塊可附 接=支撐層之「内」表面上（圖3Α)，其可部分地（圖3Β) 或:王地（圖3C)埋人於支撲層中，其可穿過支撑層且自 f撐層之外表面突出（圖3D)。在後—種組態中，消除了先 :技術之f知模組巾所存在之界面阻力及其他熱阻。根據 -定應用，τ將該fp、η團塊直接連接至熱源或散熱器， 且熱通量歸因於自熱區域及冷區域至熱電材料之直接接觸 熱傳遞而增強。 另外，藉由適當地選擇材料，支撐層可在熱區與冷區 之間提供熱絕緣（圖3C及圖3D )，且因此防止熱損失且改 良效率。 4除硬質陶瓷板不僅在最小化界面熱阻及最佳化總體 相關％熱傳遞率方面為重要的’且亦使得能夠將可挽性引 入至熱電模組之設計中。可藉由使用本發明之可撓性支撐 11 201041195 結構來極大地減少熱電裝置的減少之可靠性及安全性的問 -題（其由歸因於循環熱應力所致之陶瓷模組的斷裂引起）。 因此，與具有硬質陶瓷板之傳統熱電模組（其實際上 限於小面積之系統及有限之平面幾何形狀）相反，具有上 文所述之特徵的分裂式結構使得能夠設計並建置大型系 統。鑒於方程式（2)及（3)，功率輸出與p、n元件之數 目N及其橫截面面積A均成比例，因為該等元件原則上電 串聯地組合。然而，對於先前技術之模組，由於對確保整 個模組表面上之均句壓力、均—平坦度及與熱應力相關聯 〇 之其他限制的基本要求，增加A為不切實際的。 本發明之目的為提供熱電結構，其由於在該等結構之 吸熱側及散熱側上使用不同熱電材料而具有改良之加熱、 冷卻及發電特性。 本發明之另一目的為提供熱電結構，其由於在中間連 接器中使用熱電材料的不同組合而具有改良之加熱、冷卻 及發電特性’該等中間連接器將該等結構之吸熱側連接至 散熱側。 | | 本發明之另一目的為提供用於冷卻、加熱及電流產生 之熱電結構，其僅包含一種類型之熱電材料。 本發明之另一目的為提供用於冷卻、加熱及電流產生 之熱電結構’其僅包含一熱電臂。 因此，本發明之目的為提供克服先前技術之問題且允 許對電子組件高效冷卻&進行溫度控制且使其溫度穩定的 熱電結構。 12 201041195 目的及優點將隨描述的進行而變得顯而 【發明内容】 本發明為一艚八到* 1 種刀裂式熱電結構，其用於一物件之冷 卻、加熱或溫度之籍t 穩疋化或用於發電。本發明之結構包含 一或多個臂，該—或多 a夕個臂包含兩個或兩個以上之轨雷 料層及每一對相繼鈾带u , ‘，、、 Ο 本發明之其他 易見。 ，’"，、電材料層之間的一連接層。該等臂中 之每一者之—末端盧 — 的‘、、、電材料層位於該結構之吸熱側 處’且該等臂中之I — 者之另一末端處的一熱電材料層位 於该、。構之散熱側處。該結構之特徵在於，位於該結構之 處之熱電材料層與位於該結構之散熱側處之熱電材 =為不對稱的，亦即，分別選擇該等層之材料的性質及 /以大化該結構之吸熱側及散熱侧處之熱通量之傳 :展另外，構成臂之剩餘部分之所有其他熱電材料層及連 _ 質及熱電性質及尺寸經個別地選擇以 最大化穿經該臂之熱通量及/或電流的傳遞。 本發月之刀裂式熱電結構的具體實例僅包含一個臂。 在本發明之具體實例 只1夕]甲該結構包含兩個或兩個以上 煮，且該結構中之所有臂白么 #包含n型或P型熱電材料。在此 4具體實例中，該等臂埶 * .、.、並聯連接且電串聯或電並聯連接。 在本發明之具體會 ^中，該結構包含一或多對η型臂 與Ρ型臂，其藉由傳導^ 寻片熱並聯連接且電串聯連接。 在本發明之具體眘办丨1 〇中’該等臂之熱電層及連接層中 13 201041195 之每者的材料經選擇以使得構成該層之材料的優值之最 大值以與該層之溫度儘可能關係密切之方式發生。 在本發明之具體實例中，該等層中之每1者的材料經 選擇以使得相鄰熱電層與連㈣之—致性因數彼此儘可能 接近。在本發明之具體實例中，相鄰層之一致性因數之比 小於二比一。 本發明之結構之連接層可由純金屬、金屬合金、P型摻 雜金屬、η型摻雜金屬、p型摻雜半導體材料或^捧雜半 導體材料製成。 在本發明之具體實例+，在該結構内#生之局部物理 現象之位置處對該結構進行修改，以便最佳化該熱電結構 之功率輸出或熱傳遞。對於冷卻應用，以下列方式中之一 或^者來修改該結構：將熱料制於發生負料帖效應 區，在正治耳帖效應形成之接面處提供增強自熱電層至 環境之熱散逸的構件；在熱側外部接面處提供增強自連接 層至周圍環境之熱傳遞的構件；及提供最小化外部負載之 構件丨外部負載可歸因於連接線之焦耳（】。士）效應而 擴,至該等熱電層+。對於發電應用，以下列方式中之一 來‘改忒結構·沿著熱流穿經該熱電臂之整個路徑 】加‘、、、邑緣以使该臂與周圍環境絕緣；在冷側處提供增強 至環境之熱傳遞的構件；及選擇具有在外料側接面及内 部熱侧接面處減少泊耳帖效應之性質及參數的熱電材料及 導體。 在本發明之具體實例中，該等熱電層及該等連接層中 14 201041195 者的長度與橫截面面積之比經調整α、$ 4、# i & 電阻率及低= 使用具有高西白克係數以及高 積聚之… 電材料；藉此最佳化整個結構上的 檟瓜之熱傳遞效應。 时本發明之結構之具體實例包含一單個臂，其包含：一 呈單晶體形式之第―献雷涵 第熱電層，其與一印刷電路或一個別電

晶片直接熱接觸；—由同—類型之不同材料製成的第二 :、、電層’其與-散熱器熱接觸以使由該晶體吸收之熱散 及一連接層，其將該晶體連接至該第二熱電層。作為 製造程序之部分’該晶體可直接生長、按壓或膠合至該印 刷電路或電子晶片之表面上。 ^在本發明之結構之具體實例中，使用一回饋系統來使 /物件之溫度穩定於一目標溫度。該回饋系統可包含經定 位以感測該臂上之任何位置處的溫度的一或多個熱電耦， 此後’在一熱電耦感測到相對於所需溫度之偏差時，發送 一信號以啟動一電源供應器，該電源供應器將電流供應至 ^亥結構以補償該溫度改變，藉此藉由控制沿著該臂之溫度 分布來最佳化效能。 將參看附圖經由本發明之較佳具體實例的以下說明性 且非限制性描述來進一步理解本發明之所有上述特性及優 點及其他特性及優點。 【實施方式】 在本文中，片語「吸熱側」、「熱侧J、「熱源」及類似 15 201041195 術S吾可互換使用以表示熱電結構之高溫侧。存在兩種主要 ‘ 類生之熱電結構。第一種用於冷卻及加熱。在此等結構中， 同溫側為自該結構移除熱之側。第二種用於能量產生，且 问溫側為藉由西白克效應吸收熱之側。在本文中，片語「散 熱側」、「冷側」、「散熱器」及類似術語可互換使用以表示 一熱電結#之用卩使用δ白克效應而發電之低溫側或一熱 電m構之藉由泊耳帖效應而被添加熱之側。 如上文參看圖2A至圖2C所述，為保持所需之優值z， ;遠端熱源12侧上的p、n團塊16 p，N與位於遠端散熱器❹ 14側上的P、n團塊16 p，n之間的多個中間連接26可由高 導電性且而導熱性材料製成。本發明之發明者已對熱電材 料之性質進行研究。現描述選擇將用在熱電結構之不同位 置處的熱電材料之新方式及由此工作產生之令間連接之新 組態，此將使所得熱電結構能夠展現改良之加熱 '冷卻及 發電特性。

為了介紹高溫區與低溫區之間的熱電材料之區別的 念（該區別對於分裂概念之最佳應用為基本的），在圖〇 圖4B及圖4C中展示各種市售熱電材料之優值Z隨溫度 之變化。自圖4A至圖4C，可看出，對於每一熱電材料 存在熱電效能為最佳之溫度範圍。 明顯地，若在給定熱電臂中僅利用一種類型之材料 則熱電模組上之總ΔΤ愈寬’熱電材料之總體操作愈低效 在熱側與冷側之間的溫差通常約幾百度之發電系統中，系 尤其感受到此效率降低。包括兩種熱電材料（例如；其手 16 201041195 之者之最大z對應於熱區之溫度，且另一者之最大z對 應於冷區之溫度）將增強每一區處之熱電效率且因此改良 整個模組系統之總體操作。

如早先所述，熱側及冷侧上之n、p熱電團塊是藉由中 門連接器連接，其目的為以最好效率來傳導電流及熱通 *。然而’儘管在標準非分裂式熱電模組中，熱側及冷侧 上之每一團塊僅存在兩個「外部」熱電接面（在圖1D中由 Jeh、Je。指示），但在分裂式結構中’在熱侧及冷側上之分裂 式熱電材料與中間連接器之間的界面處存在額外「内部」 熱電接面。此等接面在圖2C中由Jih及、指示。可展示， 熱電泊耳帖效應發生於内部接面處，此與發生在「外部」 接面處之熱電泊耳帖效應相&。因此，極重要的是，根據 給疋實體系統及應帛（亦即，冷卻、加熱或發電）來控制 「内部」接面處之熱電效應。 令規金屬導體（儘管提供高導熱性及高導電性）由於 所形成之接面處之内電阻可降低總體熱電效㉟，在該等接 面處金屬導體接合至熱電團塊。因此提議，由熱電材料及/ ，Ρ、η型摻雜金屬而非純金屬製成之中間連接器用於p、打 臂中’且其將因此對應於（例如，具有接近之ζ值）熱侧 及冷侧上之Ρ、η團塊之具體熱電材料。 圖5不思性地展示基於上述兩個原理的熱電打、 亦即’在吸熱侧及散熱侧上使用不同材料 及使用由不同類型之材料製成且具有不同尺寸（例 度[)之中間連接器，以便：1)將該等材料之2值與孰側 17 201041195 =之間的溫度梯度匹配，及2)降低内部連接之效應。 藉由千分該結構之假想中心線30將該接面劃分成p侧及η 側。在吸熱側處，ρ團塊16ρ"及η團塊A,.各自盘傳導片 18熱接觸，該等傳導片18與具有大之比熱係數&之材料 的支律層28"熱接觸。在散熱侧處’p團塊％，及n團塊… 各自與傳導片18熱接觸，該等傳導片18與具有大之比執 係數G之材料的支„28，熱接觸。包含p團塊及η團塊之 層藉由傳導片18成對地電接合或連接至—外部電路，嗜等 傳導片18可包含銅（如此項技術中常用的）但可有利地包 含其他類型之導電材料。兩側之間或其周圍的空間填充有 良好熱絕緣且電絕緣之材料，例如’基於石夕之環氧樹脂。 雙箭頭展示穿經接面之電子流動方向。 圖5之實例所示之熱電材料經選擇以針對^3〇代 〜40(TC及Te=5(rc〜6(rc給出最佳效能。如早先所述，對於 每-側’例…側處，已選擇熱p型熱電材料（鋅-錄 2心3,其在約35(rc下具有圖从所示之材料中之任一者 的最高Z值）使之與冷p型熱電材料（綈_碲外如，其在 ::0C下具有其最大Z值）耦合。在n側上，分別在熱侧 及冷側上使用熱η型熱電材料（鉛_碲扑 6max 〜J ) U C ) 及冷n型熱電材料（银-碲Bl办，^〜峨）。在p側上， 為中間連接器層26p選擇P型摻雜銅導體。在“則上，為中 間連接器層26n選擇純鉍導體。 圖5說明對於藉由經適當選擇之中間連接器連接之兩 個分裂式熱電層之情況的在熱側與冷側之間及在p側與η 18 201041195 側之間的熱電材料之區別的概念。與參看圖5戶斤呈現者相 同的原理可易於應用於藉由適當傳導p型或η型中間連接 器相繼地連接之三個、四個或四個以上熱電層。若適當地 j擇材料，則此類配置將導致材料之ζ值與溫度梯度的緊 ,知夕之匹配，且因此將導致比習知熱電模組或甚至簡單 付多之分裂式熱電結構高效的熱傳遞或電能產生。由相繼 熱電材料構成的㉟明性多層 > 裂式結構示意性地展示於圖 6中。藉由需要沿著複合熱電臂之溫度分布與各種熱電材料 〇之相繼最佳優值之間的緊密耦合來確定圖6所示之多個相 繼層之組態的最終設計。使用與上文參看圖5所說明者相 同之原理來選擇用於相繼卩型層及將其連接之中間ρ型連 接器的材料，並選擇用於相繼η型層及將其連接之中間η 型連接器的材料。應注意，為獲得最佳結果，所選材料中 之每一者彼此不同。另外，該等層中之每_者可具有不同 物理參數，例如，橫截面面積、長度或三維形狀。特定言 〇之，連接器層中之一些或所有在一些結構中可為線或薄箔 片，且在其他結構中具有較大之實質橫截面面積，例如， 等於其接合之兩個熱電材料層之橫截面面積。 圖7用圖表示意性地展示如使用類似於圖$所示之熱 電臂的熱電臂的熱傳遞模型而獲得的隨溫度（水平軸）而 變的三種不同熱電材料之優值（左側垂直軸）（下部三條曲 線）及隨熱側與冷侧之間的距離（右侧垂直轴）而變的溫 度（上部曲線）。理論上，要求在理想情況下熱電材料之最 佳值（Zmax )的軌跡與溫度剖面儘可能緊密地匹配。然而， 19 201041195 實際上，熱電結構之設計必須根據可用材料。為了說明設 計此類結構之程序，將在下文中呈現關於熱電太陽電池板 之具體應用的說明性實例。 在熱電裝置之一類應用中，熱源及散熱器為可用的但 疋位成彼此間隔開。太陽能系統為此類情形之典型。利用 太陽能之無窮盡供應為在探尋再生能源產生之開發技術的 過程中所追隨的最有希望之路線之一。已在開發不同類型 之尚效太陽能技術方面投入巨大努力。太陽能技術之最基 本形式為使用太陽電池板，該等太陽電池板簡單地使用太 陽能來對流經該等電池板之水或另一流體加熱。此等用途 為太陽能技術之最熟悉用途之一。光電電池為迄今用於自 太陽光直接發電的最好之熟知方法及技術。太陽光電電池 板用於許多應用中。迄今開發出之光電電池具有有限效 率且可藉由光電方法自太陽光提取之電能的量為約 lOOWAn^ 130W/m2(假定13%至15%之光電效率）。因此， 產生大量之太陽能需要相對大面積之光電模組。在另一極 端已设汁並建置使用碟形物、槽形物及平面鏡或凹面鏡 之陣列的許多類型之大的原型太陽能設備以產生商用的大 電力冑置並維濩此等設備為昂貴的且此等設備通常需 ^馬達及控制系統以移動鏡子來追縱太陽之移動。使用此 陣列收集之能量直接用在能量轉換裝置中、#由各種技 術儲存或饋入至習知電力供應網中。 與將太陽光直接轉換赤I^ 換成電力之光電電池的普遍使用相 欠’基於熱電模組之技術南去理Y _ 何向禾侍到廣泛使用。當前可用之 20 201041195 :=電模組主要用在冷卻及加熱系統中且較少用在發電 糸'先中。在許多應用中，熱電裝置僅用作輔助㈣，例如， 用於收集廢熱並使之消散或使光電模組冷卻。 太陽能熱電轉換與西白克效應之實際應用有關，亦 即’與將-熱電模組之用以吸收太陽能之_側與該熱電模 組之與散熱器熱接觸之另一側之間的溫降Δτ轉換成電力 有關。熱電轉換系統之使用為一種新興技術。大體上，用 於發電之熱電模組相對新且不斷經受改良。然而，在其發

展之此階段，熱電模組與約15%之光電效率相比仍具有約 5%之典型效率。因此，熱電轉換裝置之開發努力集中於找 到相對谷易且低成本的太陽能收集及存儲方法，以便支援 並補償目前低效率之熱電轉換。 如下文所述之進階太陽電池板（其是基於使用如上文 所述之相繼熱電組件）藉由選擇適當熱電材料用在各種溫 度區中來提供最佳化總體熱電效應所必需之自由度。圖8 示意性地展示太陽熱電電池板之設計，其為如上文所述之 ^ 分裂式熱電結構的吸熱侧。該太陽電池板是根據圖3D所示 之具體實例來建置且得益於在上文針對此具體實例所論述 之優點。用於發電之溫差由將太陽光直接集中於該電池板 中之ρ、η元件上且經由由相繼材料層構成之熱電中間連接 將熱側ρ、η元件連接至冷側Ρ、η元件來產生’熱側Ρ、η 元件及冷側Ρ、η元件與周圍環境熱接觸。此結構可產生之 電量所取決之主要因素之一為由落在吸熱區上之太陽能導 致之溫度與散熱區之周圍溫度之間的差異。 21 201041195 考慮圖8所示之結構，入射於該表面上之太陽輻射無 疑為均一的（每單位總面積）。然而，取決於層28,上之p ' η團塊之填充因數，有效熱電面積僅為總面積之一分率。為 了使總入射太陽輻射與熱電材料之有效面積匹配，使用凸 透鏡總成34將輻射通量直接聚集且彙集至ρ、η熱電元件 上。由於使用該等透鏡，ρ、η元件上之太陽熱通量急劇地 強化，進而導致該分裂式結構之吸熱側上之高表面溫度。 由於η型團塊與ρ型團塊是配置成一連串之對，其中一鍍 銅（或任何其他類型之高傳導性）片連接每一 ρ、η對，進 而導致其間良好之熱連接，目此，實際上，僅必須提供一 透鏡以將太陽光聚焦於每一對之導體片18上。藉由太陽輻 射之通量確定熱側上之溫度的值，且藉由周圍溫度確定低 溫位準。因此’熱電系統上之總體溫度梯度為（，其 中Ts為藉由將太陽通量集中於熱側p、n元件上而達到之溫 度，且Toe為周圍溫度。 對於複合熱電臂（諸如，圖5所示之複合熱電臂），該 複合熱電臂之上表面曝露於通量Qh下，因此，如先前所述， 藉由使入射於電池板上之太陽光通量Qs集中在一起來獲得 …、通量Qh其中無疑Qh>>Qs。為簡單起見，假定曝露表面 或包3 ρ、η臂之7〇件處的熱對流為可忽略的。此外，僅為 達f演示所涉及之原理…，除了經聚焦之太陽輕射的 通量Qh外’不包括發熱或局部通量。使用此等假定可易 於展示，隨包含每—臂「目願β ^霄1見圖5)之層的幾何參數及物理性 質而變的溫度為： 22 201041195

Ti = Th- QhLh/Ahkh 方程式 (4a) T2 = T] - QhLj/Ajki 方程式 (4b) TC = T2 - QhLc/Ackc 方程式 (4c) ΤΛ = Τ〇 - Qh/_Achc 方程式 (4d) 其中，T!為16·ρ,η與26p,n之間的界面處之溫度，Τ2為 26ρ，η與16Μρ，η之間的界面處之溫度，Α為熱電元件之橫截面 面積，L為元件之長度，k為元件之熱導率，下標h指代熱 側，且下標c指代冷側，下標i指代中間連接層，且hc為 冷側上之對流熱傳遞係數。 或者，給定溫度梯度，對於給定值之中間溫度的層厚 度可自下式導出：

Lh = (Th - T i) Ahkh/Qh 方程式 (5a ) Li = (T1 - T2)Aiki/Qh 方程式 (5b) Lc=(T2- Tc)Ackc/Qh 方程式 (5c) Tc = T0C + Qh/Ahhc 方程式 (5d) 23 201041195 鑒於方程式（4)，按與熱表面相 ^ ^ 相距之轴向距離來表達 對於熱電臂之一組給定物理性皙另幽/ 足物理改質及幾何形狀的中間溫度。 在每-層之厚度為6知時，確定相應中間溫度，且 者可選擇適當熱電材料，/亦即，在給定溫度下具有最佳 優值的熱電材料。或者，在選 選悻了特疋熱電材料時，對應 於其優值之最佳溫度為已知的， 丘可藉由使用方程式（5) 來估計每一層之厚度。 應注意，藉以導出方程式（4、b ^c、 (5)之模型與特定 體系、，先（亦即，圖5之實體系統）有關。無疑地，相繼 :值可與強加不同之二維或三維邊界條件之熱傳遞模型耦 3。舉例而言’該模型可包㈣塊或中間連接處之對流； :熱：㈣’邊界處之焦耳熱；接面處之泊耳帖效應·與 八他X件相比具有不同橫截面面冑A之元件；具有不同三 維形狀之元件；等等，所考慮之應用的物理參數可 將此等邊界條件用於可包含任—組溫度位準的任何實體系 、田值得強調的是，在邊界表面處之變化太陽通量或變化 ’皿度（亦即’變化邊界條件）之情況下，力得溫度分布將 相應地變化。然而，就沿著熱電臂提供有差別之優值的相 繼熱電材料之結構而言’可幾乎始終包括一最佳熱電層， 其在發生設計條件之例外時將改良該結構之總體效能。 此外，分裂式結構及相繼多層熱電材料之概念使得能 單獨地、纟,τ'合地最佳化各種熱電材料及中間連接器之所 24 201041195 有幾何參數、物理性質以及η側及p侧處之分層熱電層的 設計。在先前技術之標準熱電模組中，此類最佳化為不可 能的。 然而’已說過’強調溫度相繼熱電材料之概念亦可應 用於標準熱電模組中。典型之非分裂式熱電模組通常非常 薄（1.5 mm至2 mm)且經受寬範圍之溫度，有時為幾百度。 因此’若採用一組適當之相繼熱電材料以替換目前所使用 〇

之單層ρ、η團塊’則可極大地改良該等模組之效能。圖9 不意性地展示根據此原理修改之先前技術之熱電模組。根 據本發明，Ρ型臂及η型臂中之每一者包含兩個相繼熱電材 料層，其間有一連接層。假定一熱側溫度為3〇(rc 〜4〇(rc且 冷側溫度為50°C〜6(TC，接著，參看圖4A及圖4B，熱電材 料之良好選擇將為 N" = PbTe、N，= Bi2Te3、P” = Zn4Sb3、 Ρ - Sb2 Te3、26n = Bi及26p = p型銅。該等連接層可由純 金屬金屬合金、P型摻雜金屬、η型摻雜金屬、p型摻雜 半導體材料或η型摻雜半導體材料製成，其中在給定應用 中使用與本文中所描述之用於選擇熱電材料之考慮因素類 似的考慮因素來選擇最適於連接層之材料。 ^使用为裂式結構及/或多個相繼層之方法使得能夠在寬 範圍之恤度及溫度梯度内設計並操作熱電結構、模組、裝 置及系統，而同時可確保每—熱電層之最佳效能。 在提供具有&含多個層之臂的結構時，#電及電阻效 :、車出現於層之間的每一接面處，該多個層藉由中間連接 、接該等中間連接層如圖6所說明在熱側及冷側處與 25 201041195 團塊最佳地匹配。然而， 效應基本上為可忽略的且 傳遞。 藉由適當地選擇材料， 甚至使其促成該結構中 可使此等 之總體熱 ’二I:構可伴有若干效應，在針對特定實體系統設 什熱電結構的過程中應考慮該若干效應。此等效 — 些為： —熱電臂之每-接面處釋放或吸收之熱量取決於芦 級之間的實體接觸及構成界面之材料之每—者的電心 度。在電子您度具有大差異之材料起作用 釋放之熱量為大的。具有類似 、，吸收或被 ⑽η、 、㈣似電子密度之材龍在小程度 上釋放或吸收熱。考慮到此，—結構之臂中具有不同電子 型材料與η型材料之間的傳導層應未必為銅（在 ^ 下為銅）。較佳地，在考慮到形成接面之材料的不 二：子密度時，傳導層之材料將選自較寬範圍之導體令， 例如：銅、金及錄或其合金，或Ρ型或η型摻雜金屬。 由所產生之電力與該模組所吸收之 定熱電發電機之效率。可藉由 的比來界 .H ^ 』错由防止熱至周圍環境之任何損 失且藉由使穿經熱電材料傳遞

加。達成此目標之-種方式A用/來達成效率之增 m _ 緣且電絕緣之㈣W 士 環乳膠）來圍繞該等臂。 (亦^冷I糸統^清況下，在—接面處之負熱泊耳帖效應 :P :熱吸收）可正面地促成該單元之效能， (亦即，熱散逸）可由於額外熱通量負載而降低效 此此類系統中，應在發生負熱形成之接面處使用熱絕 26 201041195 緣。在另-接面處，可藉由利用多孔半導體團塊來增強熱 散逸。應注意，多孔介質可用於需要熱傳遞增強的任何情 況下。舉例而言，可用於正熱（散逸）泊耳帖接面處、冷 卻系統中之中間W (26)處或甚至熱區及冷區之基板 (18、28'、28"及 20)處。 —在兩個或兩個以上熱電材料串聯接合時其限於遍 及熱電結構之層傳輸相等之熱流及電流。然而，每一材料 僅在熱導率與電導率之間存在特定比之情況下方高效地將 〇熱轉換成電。根據維德曼—夫蘭兹定律將熱導率與電導率 關聯：

Kt/Ke=Const*T(eK) 方程式（6) 其中Kt為熱導率，Ke為電導率’且τ為絕對溫度。在 熱電材料層具有不同之熱導率電導率比時，熱電單元之效 率降低。一層之此熱導率電導率比的量度被稱作該層中之 材料的「一致性因數」（consistency fact〇r，CF)。該以為 西白克因數α、優值z及絕對溫度τ之函數。 方程式（7) CF=(VTTzf+1)/a τ 在相繼熱電材料層之情況下，為保持熱電單元之效率 最大，相鄰層之間的一致性因數必須具有接近之值。根據 經驗，在相鄰層之一致性因數之間的比大於二時，熱電單 27 201041195 元之效率將接著急劇降低。 為了如本文所述基於相繼材料層來設計良好之熱電單 元，因此必須滿足以下兩個要求：每一層之優值應使其最 大值與臂中該層之位置處的溫度儘可能關係密切；及相鄰 層之C F的比必須小於二。 一致性因數之概念解釋了為何先前技術之熱電模型 (諸如’圖1所示之熱電模型）並不高效（尤其在熱側與 冷側之間存在大溫差時）的原因。參看方程式（7)，可看 出，CF與溫度成反比。因此，在臂包含單個團塊之熱電結 構（在此種情況下，Z及α均恆定）中，Cf對溫度之依賴 性指示在熱界面及冷界面處之CF的值可能不相同，且因此 熱電臂之效率在所有情況下皆會降低且在溫差大時將會嚴 重降低。 可藉由破壞熱導率與電導率對彼此之依賴性來克服使 層級之間的界面處之材料之一致性因數匹配的此問題。此 依賴性為熱傳導及電流流動均穿經熱電結構之臂發生的事 實的直接結果。提議可將一電路添加至該熱電結構以允許 電流自外部流動至具有不同一致性因數之層之間的層之材 料。達成熱導率與電導率之間的分離的一種方式為藉由使 用與二極體串聯之電線，此允許電流在臂之外部流動且同 時允許熱沿著熱電單元之臂傳播。在此種情況下，設計僅 需要考慮對優值之要求。發明者將電流流動與熱流動之分 離稱作熱分裂，將在下文中對其進行詳細論述。 一擴散可修改鄰近半導體之化學性質及物理性質。此 28

如所熟知，熱 多數冷卻應用中， 間達成最大溫差。 大溫差△ Tmax導致 給出： 201041195 效應可導致相繼層之熱電性質的惡化。若情況正是如此， 則應添加-保護層（亦稱作被動層、塗層或分離層）以防 止跨越界面之擴散。該保護層必須在阻斷諸如推雜劑或金 屬原子之元素的同時允許熱及電流之傳冑。可使用若干種 不同技術來在不同之溫度條件及化學周圍環境下防止擴 散。舉例而言，可藉由蒸發、藉由用化學品清洗或藉由電 漿處理來沈積該保護層。形成伴護 U取1示V隻層之另一種方法為使用 聚合物，…阻斷網。不可能在本文中給出關於用於形 成保護層之特定方法及用作保護層之物質的一般建議，因 為該層必須適於所考慮之界面之任一側上的材料，且將因 此對於每一具體裝置及應用之熱電結構而言為不同的。 基本刀裂式熱電結構包含一個或複數個臂，每一臂包 含一由Π型或Μ製成之元件鍵。此配置能夠解決先前技 術之冷卻及熱管理問題中之許多者。熱電鍵之一些實例展 ::圖心至圖10C中。可藉由仔細地控制諸如該鏈中之 :_兀件（亦即’熱電元件及熱側及冷側及組成中間連接 之凡件）中之每—者之尺寸的參數及藉由適當地選擇每一 凡件之材料的類型來確定穿經該結構之熱的傳遞。 電模經已廣泛地用於冷卻。無疑，在大 主要要求為在熱電模組之冷侧與熱側之 在先前技術之熱電模組中，可達成之最 輸入電流Imax ’其中△ Tmax及Imax由下式 29 201041195 方程式（8a)

l-(l + 2ThZ)05 △Tmax = Th+ Z

Imax=(kt.A/La)((l+2ZTh)0·5 - 1) 方程式（8b) 其中； Z為優值（見方程式（i))

Th為模組之熱側上的溫度 kt為熱導率 A為團塊之橫截面面積。 L為團塊之長度（高度）。 a為西白克係數。 繁於方程式8 ( b )，有必要調整團塊尺寸a/L以便為所 要工作電流設定限制。在典型熱電模組中，存在幾百個團 塊’歐姆電阻為幾歐姆’平均團塊橫截面為A=1 4 mmxl 4 mm或1 mmxi mm，且團塊高度通常為L=2 至3 mm。 因此，n=L/A通常為lo mnrl的等級。 鑒於軚準模組中相對高之歐姆電阻，熱側上之熱通量 Qh遠高於冷側上之冷卻能力Qc。因此，必須使用大散熱器 來使熱側上之熱散逸。此為標準熱電冷卻器之嚴重缺點之 圖Π A說明熱電材料之n划；姓士 π τκ η里兀件中之泊耳帖效應。在 電流I在所指示之方向上湳叙吐& # ^ 流動時，接著建立一溫度梯度且熱 在電荷載流子（在此種情況下在 月凡下為電子）之方向上流動。若 在熱」側處提供某機構以用於使在1下「離開」元件之 熱Μ量散逸，則只要電流流動，在溫度Te下之熱Qc便 30 201041195 將自在「冷」侧處附接至該元件之任何物件没取至該元件 中。 參看圖1 1A，現以經典形式來呈現Qh及Qc : Qc=IaTc-I2R/2-KAT 方程式（9a)

Qh=IaTh+I2R/2-KAT 方程式（9b ) 其中，[及A分別為元件之長度（高度）及橫截面面 積，Tc及Th分別為元件之冷側及熱側之溫度；= Th _ ， a為平均西白克係數，re為電阻率，kt為熱導率，且r及ι/κ 為由下式界定之電阻及熱阻： R=reL/A=rd 方程式（10a) K=ktA/L=Kt/T1 方程式（10b) Ο — 隨著T]=L/A減小，焦耳熱缓和，而逆擴散項增強。因此， ^重要的是控制西白克項（IaTc)、焦耳項（I2R/2)及逆擴 散項（ΚΔΤ )之間的關係。此可藉由利用對於元件而言具有 最佳優值Z (見方程式（1))之材料來部分地達成。 事實上，優值Z表示西白克效應、熱導率及電阻率之 2合效應的一種經加權最佳化。此等性質全部為依溫度而 疋的，且因此參數Z亦如此。然而，由於熱電元件經受溫 度範圍Th - Tc，因此選擇具有最佳z值之材料未必確保a、 31 201041195

Kt及re之最好組合的最好最佳化。 如下文所展示，藉由控制各個區處之η=ί/Α，在圖1〇A 至圖10C所示之類型的分裂式結構鏈中，可個別且不同地 調卽方程式（l〇a)及方程式（1〇b)之各個項的相對貢獻。 圖說明圖10B所示之類型的分裂式熱電鏈中之泊 耳帖效應。該等元件皆由n型熱電材料構成。參看圖 及圖11B，對於該熱電鏈中之第一個元件，方程式（％)及 (9b )可如下表達： qcl=I〇c!W2l2reTll_kt(T2_ 乃）/ηι 方程式（Ua) qhl = IaT2+J^reT1 丨—kt(T2_ τ〇/ηι 方程式（Ub) 其中，1指代該鏈中之第一個熱電元件之尺寸。可為 其他元件以及中間連接寫出類似方程式，其各自具有其獨 特之r)i。 即，熱電元件及中間連接）之間 元件之熱通量可等於進入下一個 在該鏈中之元件（亦 的界面表面處，離開一個 元件之熱通量，或可考膚5闲Ι¥Ιτ麥# + μ、， A J Υ恩至周圍環境之部分熱損失。此外， 沿著各個元件及連接器，舻嫱於名南Λ ^ 35根據所考慮之具體應用，方程式 可假定完全熱隔離或經調適以考慮到熱對流。 無疑’鑒於方程式（lla) 係數及低電阻及熱阻下工作。 熱電材料亦具有引起高焦耳效 及（11b)’希望在高西白克 然而’具有高西白克係數之 應之高電阻率。替代移動至 32 201041195 最佳優值（亦即，中間α、^及kt)以補償所高效應，在本 文中建議藉由在爪足夠低之情況下進行操作來急劇地減小 焦耳項。藉由調整該熱電鏈中之元件的尺寸，有可能與具 有而西白克係數（具有高電阻率re)及低熱導率匕之材料 一起工作，且藉此最佳化整個結構上積聚之熱傳遞效應。 =此，在方程式（lla)及（llb)中，可使西白克項達到其 最大值，而使焦耳項及逆擴散項之量值減小。因此，元件 之冷卻能力得以增強，且傳遞熱負載所需之元件的數目相 u 應地減小。 如上所述，針對該鏈中之熱電元件及連接器中之每一 者構造與方程式（lla)及（llb)類似之方程式，且對該等 方程式求解以根據給定應用之約束來確定該鏈中之每一元 件的將最佳化相應焦耳效應或逆擴散效應之1值。約束之 實例為：最小化使給定物件冷卻所需之鏈的數目；最小化 在熱側處散逸之熱；或最小化輸入功率。 Q 電子裝置及組件頻繁地經受變化之熱通量，且其效能 受工作溫度範圍顯著影響。旨在使溫度範圍穩定之大多數 糸統與相對長時間常數相關聯。因此，大多數系統引入導 致寬溫度操作範圍之長時間延遲。且，在先前技術中，寬 溫f範圍是由於未設計成精確地管理熱之冷卻系統。舉例 而言，使用風扇來冷卻處理器晶片，然而，其響應時間為 長的且其散熱之精度為差的。 對於大多數電子組件而言，可維持效能，且若溫度限 於有限之窄範圍則甚至可升級效能。可藉由利用熱電循環 33 201041195 來精確地調節溫度控制及熱通量管理。施加至熱電電路之 外部電流之量值及方向可易於改變，且因此，可以高精度 有效地控制汲取至經調節表面或自經調節表面抽取的熱通 量。 使用先前技術之熱電模組，可使溫度維持在相對於所 要溫度偏差±o.rc之窄範圍内。然而，為了實現此，散熱機 構必須相應地高效，且必須儘可能快地放出所釋放之熱。 此外，至關重要的是，熱調節器（在此種情況下為熱電循 環）將不將雜訊（亦即，自熱功率）插入至待控制之物件 的接近環境中。使用習知熱電模組，不易於解決熱散逸之 問題。 包含本發明中所提議之熱電元件之鏈的分裂式結構提 供所有可能之自由度，包括： (a) 由於該分裂式結構，將敏感性物件所產生之熱 自其發送走。 (b) 該分裂式結構允許完全自由地為該熱電鏈中之 母—級處的熱電元件選擇最好且最個別高效之尺寸。 务(c)焦耳（「寄生」）熱形成之效應及逆擴散效應顯 著地減少’進而允許設計者選擇具有高西白克係數之材料。 ^ ( d) 可藉由調節該等元件之間的距離及其尺寸及性 質來控制時間常數。 (e \ 可將熱電電流調整至低熱通量條件及高熱通量 條件，其中古#、s θ τ同熱通置之情況事實上與顯著冷卻及同時溫度 穩定對應。 34 201041195 (f) 可使用方程式5(a)及5 (b)藉由綜合最佳化 來獲得任何具體應用之要求（例如，溫度範圍、最小元件 數目、最小熱散逸或功率輸入）。 (g) #由使電流反向，可分析冷卻或加熱效應及相 應地設計結構。 U)該熱電鏈中各個元件上之負載並不均一，例 如，處於Th之上部元件與處於Te之下部吸收元件相比為過 载的。標準熱電模組應在恆定電流下運作。在分裂式元件 之鏈結構中，可使不同值之電流流經該鏈中之不同元件。 具體言之，若流經處於Th之元件的電流比流經處於几之元 件的電流高，則可達成較高ΛΤ值或較高冷卻熱功率。將在 下文呈現可如何實現電流分裂之更詳細解釋及實例乂 (1)可藉由使用回饋系統使一物件之溫度穩定於目 Ι/m度。存在可用於分裂式熱電結構之若干種回饋系統。 非韦易於與分裂式熱電鏈結構結合使用之回饋系統的一個 Q 實例包含一用以啟動電源供應器之熱電耦。當該熱電耦感 測到相對於所需溫度之偏差時，接著將電流供應至該分裂 式結構以補償該溫度改變，其中該分裂式結構可視電流穿 經熱電臂之流動方向而供應加熱或冷卻。一或多個熱電耦 可經定位以感測該鏈上之任一位置處的溫度，藉此藉由控 制溫度沿著該鏈之分布來最佳化效能。 實例1 測定與圖10A所示之分裂式熱電鏈類似的三個分裂式 熱電鏈。對於所有三個結構：L2=4〇mm，L3 = 1 mm，A2=7 35 201041195 mm2 » A3 = l6 τ Λ ^ ’ 1=20 A 及 TKC。[I、A1 及 T4 之預 疋值及使用其他參數之給定值計算出的T2及T3之值展示 ； 使用方程式（Ua)及（Hb)來進行熱傳遞模擬。 該等模擬是針對rp ^L. # 2Te3執灯’其熱電性質為·· ^ =2〇〇 μ V/K，

re=10 μ Ω *m 及 k = ι 4 w/p A 1 .4 W/Km。針對銅來模擬電觸點（金屬 導體片）之值，亦即，=2 uV/k W/Km。該等鍵之元俾之門沾灭 疋件之間的界面處之溫度展示於圖12中。

2 μν/Κ、re=l〇 μΩ *m 及 kt=400

實例2 測定與實例1中之分裂式埶雷赫 '電鏈類似的另外三個分裂 式熱電鏈。對於所有三個結構：L1 -η < 丹 u.5 mm、L2= AW2.25 mm2、A2 = 7 一、A3 = 16 職2 随、 °C 〇L3及T4之預定值及使用其他參數之 fTl 45 T2及T3之值展示於表”。無疑，所有其：叶舁出的 qc及qh)相應地變化》該等鏈之元件 數（例如， 展示於圖13中。如實例1中針對熱電參，处之溫度 數執行模擬。 i_2

36 201041195 圖14及圖1 5分別示意性地展示用於冷卻及發電之單 式單臂之熱電電路的基本方案。 在圖14及圖15中，使用以下符號： 一 Qe=在冷侧上在溫度Te下吸收之熱（圖14)=在冷 側上在溫度Tc下消散之熱（圖1 5 ); —Qh=在熱侧上在溫度Th下消散之熱（圖14)=在熱 側上在溫度Th下吸收之熱（圖丨5 ); 〇 — Q=穿經熱電臂之熱流； —1=穿經熱電臂之電流； —e、電子流； 一 Jeh、Jec、Jih及Jic=分別在熱侧及冷侧處之外部及内 部接面；

Qeh ' Qec ' qeh、qee、qih及qie=分別在熱侧及冷側處之外部接

且-意谓在接面處吸收熱；

中間層級的鬲度（長度）； —Wh&Wc=外部電路中之焦耳 一粗灰線表示熱絕緣； 示多孔材料； -該等團塊内部之虛線表 37 201041195 —18=傳導片； -16'及16"分別=熱側團塊及冷側團塊；且 一 2 6 =中間連接。 Ο 任何熱電系統或裝置包括熱及電流（在η型材料之情 況下為電子，在ρ型材料之情況下為電洞）的同時發生之 流動。該分裂式結構亦包括在内部熱電接面處發生之某額 外物理現象。必須加以考慮之現象為分別在冷區及熱區處 之熱吸收及熱散逸、環境與熱電臂之元件之間的熱傳遞、 該等熱電臂及外部連接中之每一材料的焦耳熱（Qj = i2R)， 及内部接面及外部接面處之泊耳帖加熱/冷卻。 該分裂式結構使此等局部物理現象之位置處的實際干 預為可能的，此干預使得能夠最佳化熱電結構之功率輸出 或熱傳遞。在標準熱電模組中，不可對模組進行干預，且 可採用以改良效能之全部措施為試圖最佳化散熱區或執源 區。藉由對包含熱電結構之臂的元件進行修改或在某也情 況下對整個結構進行修改來實現該實際干預。

對於冷卻應用（圖u)之情況而言，重要的是使κ亦 即’在受冷卻侧處被吸收且傳遞至熱侧之熱的量）最大化。 ::求無額外熱負載引入至在其自冷區至熱區之路徑中的 熱流。因此，應採取若干措施： 卜…應將熱絕緣應用於發生負泊耳帖效應之區 二I1…以便防止來自環境之熱輸入。重要 確保僅傳遞來自目標（亦即’待冷卻之物件）之:

(b)另一方面’在形成正泊耳帖效應之接面I 38 201041195 處’需要增強自團塊至環境之熱散逸。此可（例如）藉由 在此等區中形成用於該等團塊之多孔結構（由該圖中之虛 線指示）或藉由使用良好之導熱金屬多孔包層來達成。亚 (C )且’已發現’在Jic處增強自中間導體至周 境之熱傳遞將減少熱負载且實現Qc的較高效之熱傳遞。 ❹ Ο ⑷應注意Jec處之線連接以最小化可歸因於連接 線Wc中之焦耳效應而擴散至冷卻系統中的外部負載。類似 地，將增強穿經熱區處之連接線^的熱傳遞。1及^均 可由具有最大周邊面積之非絕緣多孔導體材料製成。 ⑷彳藉由改變團塊之橫截面面積（例如’藉由使 用具有截頭圓錐形形狀之團塊）來實現增強或減少熱傳遞。 現參考圖15所示之發雷古安 _ ^ , 1：方案，該操作組態本質上類似 於冷卻迴路之操作組態。 ^自實用之觀點而言’熱吸收Qh (亦 即，在熱側處被吸收日榴、备 且傳遞至冷侧之熱的莖）現為確定其 他插作參數（例如，内泣βΑ 内。Ρ >嚴度及輸出電流I)之觸發參數。 應注意，在冷卻迴路之，降Ό Α 略之If況下’該觸發參數事實上為電流 I，其確定其他參數（你丨4 ^ 〈例如’ Th、Te、Qc、Qh)之值。在如 圖15所示之熱通量輪

Qh、熱通量Q及電子流e-之方向的 情況下，所得電流I之太 <万向疋在與圖14中針對冷卻情形所 示之方向相反的方向上 然而，由於圖14及圖15中之目 標為不同的’因此廊柄祕Α …根·據應用進行相關聯實體系統及程序 中之干預。在冷卻循璟由 9 Τ ’有必要消除或減少可來自外部 之極熱負載以使Qc最女儿 ^ 化。在發電之情況下，藉由流經熱 電元件之最佳熱通量來僅a 水獲传最佳電流I。△ T愈大，可得到 39 201041195 之電力愈多。為了維持最佳溫降ΔΤ及最高熱通量Q且鑒 於圖5 ’應採取以下措施： (a )在此種情況下，應使穿經熱電臂之熱流的整個 路徑與周圍環境熱絕緣。 (b )增強至處於Tc之環境的熱傳遞以保持Tc儘可 能低。 C 與冷郃方案相反，對熱電材料及導體之選擇旨 在降低Jec及Jih處之泊耳帖效應。 極重要的是，強調要特別注意根據熱區及冷區處之溫 度範圍在此等區處採用t w 、 酿 秌用熱電材料。該分裂式結構展現出根

據所考慮之應用之實體愔招a μ , L 骽It开^局σ卩地選擇熱電材料的可能 鑒於圖14及圖15，有音羞的日、+立< αΑ 令w義的疋，注意系統參數之效應 及趨勢中之一些。知道各個金 邋各個參數之趨勢將向設計者提供最 佳化系統效能所必需之知識。 J目鉍合之物理分析來獲得 各個參數之效應。為達成說明 成兄明之目的，分析發電之實體系 統（根據圖15)。假定使熱通量 里qh入射於熱區團塊之外表 面上之應用及經由團塊及連接器蒋_+士 丧益獲件之有效絕緣（如發電 方案中通常所需要——見上文），丨3 寻到經由熱導體及冷區之 熱傳遞方程式： 方程式（1 3 ) 40 201041195

Tic-Tc= GcLl+丛+~fLi+qh) Li

方程式（14) 方程式（15) H(Tc = qh + gkLh + gA + gcLc 其中，gc、鼬及gi分別=冷侧上之團塊、熱側上之團塊 及中間層級中之每單位體積的發熱率；H=對流熱傳遞是 數；且\為冷側上之周圍溫度。 〇 上文所論述之原理表明產生包含單個臂之熱電結構替 代習知雙臂結構的可能性。在單臂模組中，每一臂由呈分 裂式錯構之兩個熱電團塊組成，一連接層在其間。該等單 臂結構可包含分別在吸熱侧及散熱侧處之兩個η型團塊或 兩個Ρ型團塊。由於在技術現狀下，η型材料給出比ρ型材 料好之結果，因此僅使用η型材料對於多數應用而言為較 佳的。 〇 I臂單式分裂式熱電結構可解決電子及微電子領域中 之冷卻問題中的許多者。呈單晶體形式之一 η型團塊可直 接附接至一印刷電路、一個別晶片或處理器（例如，藉由 在半導體元件之背面上朦合或甚至生長該團塊），且用以吸 -斤產生之熱。將藉由__連接層（例如，線）將此團塊 至由不同材料製成之另一 η型團塊，該另一 η型團塊 將與一散熱器熱接 钱觸以使由第一曰曰體吸收之熱散逸。該散 :器可為（例如）圍繞正冷卻之元件的金屬外殼。如將在 文更詳細描述’附接至正冷卻之元件的晶體可經由多個 201041195 獨立中間層而連接至安置於該外殼上之不同位置處的若干 團塊以實現熱之高效散逸。因此’單式單臂熱電電路之原 理可用以設計冷卻系統，其可恰好建置至微晶片中，進而 減少或消除對獨立冷卻系統之需要且替換現今用在諸如pc 及膝上型電腦之裝置中及用在通信機射的通風風扇及散 …部接面處之泊耳帖效應，替代使用p_n半導體 對’可藉由適當地連接僅n型團塊或僅P型團塊來構造完 整之熱電模組。作此操作之動機為，實務上，由於對熱電 材料之限制，執電έ士禮r磁4 ㈣…/ )中之n型臂及p型臂之熱 導率及電導率之敎泰尤pq ^ α建置具有僅最高效（對於特 疋應用）之類型的丰專# 〜士滋夕她胁 Μ熱電結構將有助於使 ;:=Γ 化。且，儘管該臂之兩側上的團塊 了由相同熱電材料製成，但 ^ m ^ 於本文所解釋之原因，若使 川丨声 ΡΜ)材料來分別使材料之Ζ因數與執侧 及冷側處之溫度匹配，則該結構將較高效。 … 圖16Α及圖ι6Β說明 义 埶電模组的雨錄古斗· 化已在先别技術中考慮之單式 實:：，：種方式。原則上，兩種組態均 ， 實務上’兩者皆不產生可用之熱電裝 :、、 聯連接看似構造起來簡單且容易；然而，圖二 = = :::對差，_ :塊是_連接器4。”聯::之該： 連接，於典型之緊密型先前技術模 42 201041195 mm )，急劇之熱短路形成，其可快速地終止熱電效應。 可應用上文所論述之分裂式熱電結構以允許實現如分 別在圖17 A及圖17B中示意性地展示之串聯或並聯之單式 熱電電路。應注意，本發明之單式熱電結構可為n型或p 型的。在熱電材料之當前發展階段，η型材料通常具有比ρ 型材料而之熱電效率，但是此在將來可能改變。在任一種 情況下，應根據本文所論述之原理來選擇材料以便為給定 應用給出最佳結果。 〇 基於分裂式結構而構造之單式電路不限於低數目個分 裂對以便減少電流負載。使㈣分裂式結構，&電團塊可 達大於1 mm至1.4 mm之團塊，該等i mm至j 4 之團 塊必須常用於先前技術模組中以便滿足表面非常平坦且陶 竟板施加給所有團塊之壓力均句之緊密型結構的要求。此 與適當長度之中間連接之使用結合允許熱區與冷區分離， j而移除熱短路之問題。大體上’就分裂式結構之概念而 ❹=了使冑16A及目所展示的所提出之先前技術 解決方案不切實際的問題。特定言之，藉由使用冑5及圖6 斤丁之原理來提供包含熱電且傳導之材料之若干個層的臂 來使新》又汁方式（具有各種優點及自由度）可用該等熱 ，且，導之材料具有不同之優值及/或選定尺寸以便根據沿 著該#之不同位置處的局部溫度來最佳化優值之值。 在上述分裂式結構中，該結構之吸熱側與散熱側處之 ‘、:、電兀件的數目之間存在一對一的關係。吸熱側上之每一打 1或Ρ !凡件經由一臂連接至散熱侧上之同一類型的元 43 201041195 件。如在先前技術熱電模組之情況下，熱通量及電流均流 經此等臂中之每一者。 然而，在利用先前未想過之修改結構之方式來設計熱 電結構以便增加基於其之結構之總體效率方面該分裂式 熱電結構實現大得多之靈活性。舉例而言，圖处示音性地 說明一分裂式熱電結構之具體實例，其中前一段中所論述 之一對—關係被破壞。在圖4E所示之結構中，已藉由將額 外之Ρ、η元件對電串聯連接至圖4D所示之熱電^構之核 心之散熱側上的元件對來添加該等額外p、n元件對。根據 上文所述之原理適當地選擇額外p、n元件之材料可急劇地 增加該結構使在吸熱側處吸收之熱消散的能力。 為熱電結構考慮分裂式結構已向發明者建議三種新方 法’其可用於在加熱、冷卻或發電應用中基於本文所描述 之原理最佳化其輸出。此等方法已由發明者命名為献田分 裂 '功率分裂及電流分裂。 熱分裂結構允許在熱電結構中電流之輸送與孰之流動 脫離。基本熱分裂結構1〇〇示意性地展示於圖18’^。^分 裂結構100之「熱」側及「冷」側各自包含一夹層H、二 夹層102含有複數個n型及16n及i6p，該複數個： 型臂及P型臂夾於兩個支撐層28之間且藉由金屬傳導片Η 電串聯連接。為簡單起見’已將臂％及％緣製為單個團 塊’但其可為較複雜之多層結構（諸如，圖5及圖6所干 之多層結構）’其中根據上文所論述之原理來選擇材料以最 大化穿經臂之熱流。且，不必在結構1〇〇之熱側及冷側處 44 201041195 之失層102之間存在對稱，亦即，選擇臂之數目、 及材料之選擇以在每-溫度狀況下最大化熱流。 在圖18中，支撐層28呈現為硬質板；然而，實務上， 支牙層28可為硬質或可撓的，進而允許其在應用需要時與 散熱益或冷卻器之輪廓匹配。除了維持結構之實體統一性 支撐層28之功能為在阻止電流之傳遞的同時儘可能高 效地傳遞熱。支撐層28之一實例示意性地展示於圖19/。 此圖中所見者為薄銅板或㈣刚，其塗佈有—層非導電材 料106諸如，環氧樹脂。支撐層之另一選擇為習知pa。 在兩種if况下，在支撐層之表面上產生金屬傳導片U之圖 案。該熱電7L件16η & ι6ρ(例如）藉由適當膠而連接至該 支撐層。在另一具體實例中，可使用半導體工業中所使用 之習知技術來產生整個夹層’包括在傳導墊以上「生長」 半導體7L件16{5及16n。可能適用於熱分裂結構之典型尺寸 的說明性指示為：銅層1()4—lmm厚、環氧樹脂層1()6—5〇 μηι厚’且銅片18—1〇〇 厚。 0 如圖18所示，藉由外部電導體（例如，銅線）將結構 100之熱側及冷側處之夾層102電連接以形成完整之串聯電 路。圖18展示加熱/冷卻應用，但明顯地，在發電應用中， 一電負載可替換dc電源。 藉由熱傳遞裝置108在結構100之熱側及冷側處之夾 層102之間傳遞熱。在習知模組及分裂式熱電結構中，主 要藉由穿經團塊及中間連接器之傳導來進行冷區與熱區之 間的熱輸送。熱分裂結構展現出利用其他構件來在兩個層 45 201041195 之間傳遞熱通量的新方式，例如，熱管或傳導載體與熱管 之組合。應注意，可將熱管主體用作低熱通量之熱傳導介 質，且對於較高熱通量可啟動熱管機構。亦應注意，與習 知熱電模組及本文所描述之新開發出之分裂式熱電結構相 反，使用該熱分裂結構，該結構之吸熱側中之每一團塊不 必藉由中間連接器連接至散熱側中之相應團塊。且，熱側 上之夹層中的團塊之數目未必等於冷側上之夾層中的團塊 之數目。可使用本文所描述之原理來確定每一側上之夾層

中的團塊之數目、其組成材料以及熱傳遞裝置之數目以最 大化熱傳遞（或所產生之電力）。 大體上，值得注意的是，分裂式熱電結構（其中電》〕 及熱同時流經該結構之臂）與熱分裂結構之間的竿此差； “）電分裂對於均一模式下之熱通量上差二 為最好的。對於均質且均—密度之熱電元件為較佳的。） 外，對於低冷卻、加熱或功率容量，團塊之數目為低的 且中間連接器主體可為薄的且非常可撓的。 - ❹ (b )熱分裂結構較適於硬質結構，其中中

可撓性並非必要條件。此' B 個7"件（較高功率溶 橫截面面猜& 兄下’熱傳遞裝置將具有相對大之 及調整1參數，、分裂結構可藉由適當地定位熱傳遞裝置⑽ 易地老I 其能夠有效地應對局部熱傳遞要求來容 情況下）。 冑化在度（在熱點或非均-熱釋放之 以下情況為成立的 與如在常規分裂方 法中使用大數 46 201041195 側之間的熱傳遞相 方面，使用較大橫 器主體之電阻。因

目個線狀中間遠垃 A 间連接為來實現該結構之兩 比’熱分裂結構可呈現硬f ;但在另一 面積之熱傳遞裝置減少中間連接 此，外部電力之消耗可減少。 η 上文：論述之熱電方程式展示存在最佳值

埶電-杜：團塊面度且八為其橫截面），對於該最佳值， 之數目最小。對於較小之η，功率消耗為低的，而 而：件之數目可增加。另—方面，可藉由使用較大橫截 中間連接n來減少團塊之數目。耗η、熱電元件之數 目與功率消耗之間的此關係可為上述分裂式熱電結構之限 J仁在熱分裂結構中顯著地增加用於熱傳遞之面積（熱 通量載體）要容易且簡單得多。此實現較低數目個熱電元 件之使用以及較低電力消耗。換言之，藉由熱分裂結構， 熱輸送之最佳化程序可與電力消耗之最佳化及/或所需之熱 電對之數目去耦。 … 刀裂式結構之最重要特徵之一為其允許亦分裂熱電裝 置之操作功率的自由度。就熱分裂概念而言，熱通量可易 於刀裂至一個以上位置，如示意性地展示於圖2〇中。 如已在上文關於電子及微電子之領域中的冷卻問題之 早臂解決方案所論述，在不使用熱分裂之分裂式熱電結構 中亦可採用將熱功率分裂至多個位置。然而，功率分裂在 與熱分裂結合使用時將簡單得多。 原則上’功率分裂降低了對在熱區處大的熱分散器之 苛刻要求。如（例如）在圖丨8中，使用熱被散逸之一「熱 47 201041195 ……7強烈之熱點，其影響所有向上之溫度Τι、Τ2、 34 圖ιιβ)且因此減小較低層級（冷區）之功皁 吸收之能力以及使吸收表面處之溫度1穩定== 制之能力。 耵具加以控 如圖20所示，功率分裂至熱被散逸之許多個「執焦點 (例如’位於圍繞—電腦之處理器的金屬外殼之不同、壁上」 導致沿著整個熱電系統之整個溫度剖面的減小，且因此緩 ) 和對散熱器及熱區處之熱分布的要求。實際上藉由利用 功率分裂概念緩和熱密度及在熱表面處使熱分布，使較高 且較強烈之冷卻能力的可能性可為系統設計者所用。 本文所提議之新分裂式結構亦提供在熱電結構中利用 電流分裂之可能性。所稱電流分裂，意謂分裂式熱 (亦即，冷區處及熱區處）之電流是由不同位準之電流饋 入。標準熱電模組利用相繼流經所有熱電團塊之給^電 流。然而，如所熟知，熱吸收冷侧處之熱負載可遠低於熱 釋放熱側處之熱負載。將高電流用於兩個區引起不必要之 高焦耳熱效應。已藉由發明者使用本文所論述之原理來展 不，藉由在吸收區處施加減少之電流而在熱釋放表面處施 加較高電流減少熱電結構之總功率消耗且增強冷卻能力。 無疑’此電流分裂模式不可應用於標準熱電模組。 將不僅以簡單方式來理解電流分裂之概念，亦即，僅 熱區與冷區處之電流的值不相等。以下情況為成立的，首 先，電流在熱吸收團塊處與在熱分散團塊處為不相等的。 然而’另外’为裂式結構整體上使得能夠進行團塊之各種 48 201041195 口有配置其可控制内部熱電接面處之發熱。使用電流分 裂概念之熱電結構的某些組態之實例象徵性地展示於圖 21A至圖25中。 圖21A展不簡單之分裂式結構，藉此使用方程式（lla) 及（llb)確定之在各個接面處的溫度刳面展示於圖21B中。

圖22A及圖22B分別演示使電流分裂之兩個變體，同時在 内部接面Jlh或Jic處引入p型元件（表示為I)。在該等圖 式中，I為引入至熱電結構中之電流，且i為自卜分裂出之 電流。可藉由改變所添加之團塊Ps之電阻率來調整丨之值。 丨之P 31!兀件充當來自内部熱電接面之熱的點吸收 器，且因此直接影響丁2及丁3。事實上，藉由如所示般分裂 :流使圖21B所示之整個溫度分布減少至較低位準。應注 忍’在p型臂中’引入一表示為&之n型元件以實現功率 分裂。對於給定之總電流1，與無電流分裂的圖21Α之簡單

分裂式結構相比’ 22A及圖22B之電流分裂結構導致較 低功率消耗及較高功率冷卻。 圖23A及圖23B分別象徵性地展示基於圖“A及圖 22B之電流分裂結構的完整熱電單元。藉由將pcB電路用 於上部層及下部層來容易地進行圖7A及圖7B之結構，其 中上部層與熱分散器相關聯，且下部層與待冷卻或對溫度 加以控制之區相關聯。 體上與熱電系 。然而，隨著 此等層再次達 如圖23A及圖23B所示之分裂式結構大 統及裝置有關’其中熱源與散熱器彼此遠離 該等層之間的距離減少至其可能之最小值， 49 201041195 f ,緊湊之新熱電模組，其具有分裂式熱電元件、使電流 :裂且包括額外Ps-Ns增強器。可針對寬範圍之冷卻能力來 設計此等模組，且此等模㈣肖作具有增^之錢特性的 新近“準」熱電模組以替換現今使用之標準熱電模組。 除圖22A至圖23B所示之分裂電流方案外。一旦已採 用基本分裂式結構，便可提議其他方案。 圖24及圖25表示用於引導電流穿經熱電結構之另外 兩個方案。在圖24之方案中，調整電流使之以不同量值流 經該熱電結構之不同元件。在圖25中，電流以相同值流經 所有元件。此外，在任一種情況下，所有電流分裂方案事 實上使得能夠進行對來自熱電接面之熱的局部吸收，此又 增強整個熱電裝備之總體吸收。基於模型化以及實驗測試 之計算已指出每一方案之優點以及較佳操作範圍。 圖26及圖27示意性地展示使用熱分裂及電流分裂概 念之熱電單元。在圖26及圖27中，如關於圖18所描述之 夾層結構102用在散熱側處，且在吸熱側上，電流分裂成 兩個及四個不同值之電流，其流經相應數目個熱電元件群 組。此等結構允許最大化來自具有非均一熱條件之表面（例 如’區域化熱點或冷點）的熱吸收及傳遞。應注意，在圖 26及圖27所示之結構中，無需如純電流分裂之情況中（圖 22A至圖23B )引入額外吸收器ps或队。 應強調，本文中之描述的與冷卻系統有關之部分皆可 應用於發熱或發電，且反之亦然。 應注意，就此而言’現有熱電模組之過標準化給設計 50 201041195 者（其必須將此等模組用於各種實體裝置及應用）留下非 常少之自由度（在最好之情況下）或根本不會留下自由度 (在最壞之情況下）。因為情況正是如此，所以設計者必須 根據所考慮之應用的要求調適該模組周圍之應用而非調適 熱電系統及現象。 目前’世界上之公司在諸如以下各者之各種技術領域 中將標準熱電模組廣泛地用於冷卻、加熱或能量產生：電 子儀II、溫度控制及溫度穩定化、現代空間系…统、電信、 〇電子裝置、光學及醫療系統’及許多其他工業、消費型、 科學及實驗室系統。在所有上述領域及許多其他領域中， 使電子組件冷卻或使來自電子組件之熱高效地散逸之要求 對於該等組件之壽命長度為最至關重要的且因此對於整個 系統或裝置之效能為最i關重I的。⑨常藉自附接至相對 大之政熱器及風扇系統之標準熱電單元來使此等電子組件 冷卻。纟2匪熱電模組驅動之典型熱電總成在該熱電模组 之每-側處可需要厚十倍以上且面積大若干倍之散熱器。 此之結果為熱電裝置變成比電子組件不成比例地大許多 倍，進而需要更多空間，此有時變成設計中之至關重要的 參數。在最好之情況下，此導致無效設計，或在最壞之情 況下，使裝置無法冷卻，其中晶片密集地配置或無空間^ 供冷卻系統所用。 分裂式結構在根據本文所描述之原理應用時事實上消 除現有典型緊湊模組及基於此等模組之熱電裝置的多數限 制。對於給定應用，分裂概念、相繼熱電層之使用及在兮 51 201041195 、结構之熱側及冷側上的可撓性支撐層之使用允許基於改變 該模組之所有元件之參數的能力最佳化總體效能以及根據 所考慮之具體應用選擇最佳熱電材料。同時，分裂式單式 單元件、單式元件結構、單臂結構、熱分裂、功率分裂及 電流分裂之概念引入冷卻、加熱及發電裝置之許多種新的 可能性。應注意’在任何應用中，因分裂式熱電概念而變 成可能之概念及方法中之任一者可單獨地或以組合形式整 合於設計程序中。 在本發明之各種具體實例中，一方面，本發明允許設 s十者集中於給定應用之特定特性，同時允許基於處理熱電 系統之參數的能力來最佳化總體效能，包括根據所考慮之 應用之實體情形來最好地選擇每一區處之最佳熱電材料。 舉例而言，在方程式（12)至（15)中，已假定熱電元件 及中間導體之橫截面面積為相同的。然而，易於將用於導 出此等方程式之模型變換至元件之不同或變化橫截面的情 作為另一實例，因為已描述了單式分裂式結構之特 所以可容易地陳述使冷卻區域與加熱區域分裂促成解 、典型熱電裝置之兩個關鍵問題，即，不能夠使用最佳優 值及歸因於加熱區域與冷卻區域之間的熱傳導而降低效 率。在利用薄膜熱電系統時，此等問題變得更嚴重。一方 :’在薄膜熱電層（或多層）之情況下預期功率密度之急 :】増益’❿另一方面，歸因於整個薄膜上之高溫度梯度， 夕數熱通量可自熱區流回至冷區。此外，在自塊體移動至 52 201041195 薄膜時，熱電材料展示較大之優值，因此極重要的是，複 得效率之損失及甚至升級超過在塊體材料之情況下獲得之 效率損失複知。因此，歸因於新熱電材料以及薄膜熱電系 統之發展而取得的熱電冷卻器或發電機之近來進展可取決 於適當技術之將來發展。採用單式分裂式結構可展現出利 用新熱電材料及薄膜單元之優越性的新方式。同時，分裂 式結構實現在更多實體自由度之情況下的靈活設計及熱管 理。 發明者相信，將根據所考慮之特定系統的要求來個別 地選擇具體技術細節，例如，將團塊焊接或夾緊至中間連 接之方法、將團塊附接至可撓性支撐層之方法、中間連接 器之組成及p、n團塊之組成及其尺寸。謹記此，在分裂式 結構及溫度相繼之熱電材料方面，可達成寬範圍之應用。 可利用基於熱電材料之優值與溫度場中之溫度分布之 間的耦合及一致性因數之匹配的設計方法由簡單之單式分 裂式結構（諸如圖11Β所示）及/或由溫度相繼之熱電層（如 圖6所示）製成太陽熱電板（諸如結合圖8所論述）。只要 溫度梯度為可用的（諸如，在深水或在地熱之情況下），便 可應用相同概念及方法。在一些情況下，僅可利用相繼層 方法，且在其他情況下，分裂式結構與相繼層可組合以得 到最好效能。 控制單式分裂式熱電結構之輸出的另一種方式為使用 電流分裂概念來將不同值之電流供應至臂之熱及冷熱電元 件。對於冷卻，可藉由觸發具有較高電流之負載（熱）元 53 201041195 來達成穿經該結構之較高效的熱傳遞’而藉由較低電流 觸發冷7L件。此可藉由在元件之間汲取電流之部分（即， 使電流分裂，亦即，使用圖22Λ至圖25中所說明之電流分 裂概念）來進行。此為該分裂式結構允許藉由根據實體情 形之要求來幾乎獨立地處理熱元件或冷元件中之每一者來 控制、管理並最佳化整個熱電系統之效能的方式之另一說 明。 。 對利用再生能源之上升需求及同時增長之環保意識已

促使來自許多科技領域之各種創新方法。朝向新一代熱電 結構或系統之進展為能量替代物之開發過程中所遇到的挑 戰之一，其可具有顯著之經濟及環境影響。如上文所描述 之本發明不意欲或預期以任何方式僅與本文所描述之特定 應用或系統有I而是事實上本發明之原理可應用於用於 冷卻加熱或用於發電之任何熱電應用或系統。

本發明之另一最引起關注之應用方向為用於開發電 以用在相對小之自含式電能“中。作為全世界對替代（ 生）能源之搜尋的部分，對此類型之系統的興趣㈣。 電技術及熱電模組之領域中的成就及發展可成為^應 必需且有效之選擇。此等應用之少數實例為：小型獨： 率及冷卻系統：船上、車輛中、鐵路客 水冷卻器。 丫之工調. 另一類基本應用為將熱電 中，該等發電機能夠產生幾百 各者使用：戰場上之軍用單元 系統用在各種攜帶型發電機 瓦之電力以供（例如）以下 ;用於燈、空調或對電力基 54 201041195 礎架構不存在之偏遠地區一 一 〜奴冤力供應的用於發電之單 元’及熱電電池充電器。扁淋古 +、_ 裔在所有上述實例及其他實例中， 熱源可直接來自太陽輻射β戈夾 ^ 咐a术自工作熱流體，諸如由太陽 能加熱之油、烴燃料岑决ό 々 次來自馬達之廢氧。同時，散熱器可 為周圍環境、風或局部可用夕木么。亦彳 人门口丨j用之冷部劑，諸如河流或水體。 用於此等應用中之熱電單元將基於裝配為圖14或圖15中 展示之基本單元中之許多者，其為提供必需冷卻或電力所 需。

最後但並非最不重要’使用當前可用之熱電技術不滿 足大型應用挑戰。然而，標準熱電模組可僅用於小型、有 時微型系&;本文所描述之結構展現出用於滿足大型系統 之挑戰及需要的大範圍之技術。舉例而言，可利用自車輛 中之極熱引擎或排氣管損失之能量，只要熱吸收器直接附 接至引擎^或排氣裝^且散&器位於㈣中之車輛前部 處，其中散熱（熱散逸）是藉由強制對流來進行且因此可 能夠吸收大熱通量而未展現任何溫度升高。在此系統及類 似系統中，散熱器為熱電系統之整體部分，且可確定總體 系統效能。換言之，包含如本文所描述之分裂式結構之配 置的熱電結構可用以將來自移動中之車輛之廢熱或自發電 廠釋放之熱氣等等及現有輻射體或周圍溫度轉向至高效熱 電能量回收裝置中。 所有上述各者僅為應用之實例，其將得益於採用本文 所描述之分裂式結構及/或概念及方法。本發明在應用於當 前應用時將降低用於冷卻、加熱或發電之裝置及系統的複 55 201041195 雜性、簡化其設計及使其總體效能升級。 儘管已以說明之方式描述了本發明，但僅為達成說明 之目的而提供本發明之具體實例的具體實例及本發明之使 用。發明者不意欲使本發明之範疇由所描述之圖式、配置、 材料或參數以任何方式來限制。應理解，在未超出申請專 利範圍之範疇的情況下，本带明可在具有許多變化、修改 及調適之情況下進行。特定言之，預期，在如本文所呈現 的本發明之熱電結構之一般概念中，可採用且相應地吸收 材料科學領域之新發展，其可導致高溫度梯度的進階之新 熱電材料等等。 【圖式簡單說明】 圖1A及圖1B分別說明電流、熱、電子及電洞穿經们 型團塊及p型團塊之流動方向； 圖1C展示一 n-p半導體對； 圖1D象徵性地展示典型先前技術之熱電模組之一部 分，該熱電模組夹在與熱源熱接觸之中間基板及與散熱器 熱接觸之中間基板之間； 圖2A示意性地展示分梨斗、y 裂式模、，且之散熱侧上的電連接； 圖2B不意性地展示分裂彳播化^ 裂式模，，且之吸熱側上的電連接； 圖2C示意性地展示整個分裂彳措& 刀裂式核組，其中該模組之吸 熱側及散熱側上之各別ρ、圃抬 Ρ η图塊藉由中間連接器連接； 圖3Α至圖3D示意性地展千 展不可將Ρ、η團塊整合至可撓 性支撐層中的各種方式； 56 201041195

隨溫度T之變化； 4C展示各種市售熱電材料的優值 之特徵化特徵；

圖5示意性地展示熱電η、p接面之說明性實例，其中 圖4D示意性地說明分裂式熱電結構 圖4E示意性地說明分裂式熱電結構. 〇根據本發明之原理選擇熱電材料以給出最佳效 圖6示意性地展示由相繼熱電材料構成的說明性多層 分裂式結構； 圖7用圖表展示使用熱傳遞模型獲得的隨溫度而變的 二種不同熱電材料之優值及隨熱側與冷側之間的距離而變 的溫度； 圖8示意性地展示太陽熱電電池板之設計，其為根據 本發明之分裂式熱電結構的吸熱側； 圖9示意性地展示根據本發明之藉由使用ρ及η型臂 來修改之先前技術熱電模組，該等臂包含兩個相繼熱電材 料層’一連接層在該兩個熱電材料層之間； 圖10Α至圖i〇c示意性地展示充當分裂式熱電結構之 臂的熱電鏈之具體實例； 圖11Α說明熱電材料之η型元件中之泊耳帖效應； 圖11Β說明圖10Β所示之類型的分裂式熱電鏈中之泊 耳帖效應， 57 201041195 圖12為展示實例1之熱電鏈之元件之間的界面處之溫 度的一組圊表； 圖13為展示實例2之熱電鏈之元件之間的界面處之溫 度的一組圖表； 圖14不意性地展示用於冷卻之單式單臂熱電電路的基 本方案； 圖15不意性地展示用於發電之單式單臂熱電電路的基 本方案； 圖16A及圖16B說明構造已在先前技術中考慮之單式 熱電模組的兩種方式； 圖17A及圖17B分別示意性地展示串聯或並聯的單式 熱電電路； 圖1 8示意性地展示基本熱分裂式結構； 圖1 9示意性地展示支撐層之一實例； 圖20示意性地展示基本功率分裂式結構； 圖21A展示簡單分裂式結構； 圖21B展示圖21A所示之各種接面處的溫度剖面； 圖22A及圖22B示意性地展示簡單熱電結構中之電流 分裂的兩個變體； 圖23A及圖23B分別象徵性地展示基於圖22A及圖 22B之電流分裂結構的完整熱電單元； 圖24及圖25象徵性地展示引導電流穿經熱電結構的 替代方法；及 圖26及圖27象徵性地展示使用熱分裂及電流分裂概 58 201041195 念之熱電單元。 【主要元件符號說明】 無

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Claims (1)

1. 201041195 七、申請專利範圍 1·一種分裂式熱電結構，其用於一物件之冷卻、加熱或 溫度之穩定化或用於發電’該結構包含一或多個臂，該— 或多個臂包含兩個或兩個以上之熱電材料層及每—對相繼 熱電材料層之間的一連接層，其中該等臂中之每一者之一 末端處的一熱電材料層位於該結構之吸熱側處，且該等臂 中之每一者之另一末端處的一熱電材料層位於該結構之散 熱側處； 該結構之特徵在於： 位於該結構之該吸熱側處的該熱電材料層與位於該結 構之該散熱側處之該熱電材料層為不對稱的，其中該等層 之材料的性質及參數經選擇以分別最大化該結構之;;吸熱 側及該散熱側處之熱通量之傳遞；及 構成該等臂中之剩餘部分之所有其他熱電材料層及連 接層的熱性質、電性質及熱電性質及尺寸經個別地選擇以 最大化穿經該臂之熱通量及/或電流的傳遞。 2.如申請專利範圍第之分裂式熱電結構其中該結 構僅包含一個臂。 接4 j ^ μ專利範圍第1項之分裂式熱電結構，其中該結 構匕3兩個或兩個以上臂，且該結構中之所有該等臂包含打 型或Ρ型熱電材料，其中該等f熱並聯連接且電串聯或並 聯連接。 椹自八―2專利範圍第1項之分裂式熱電結構，其中該結 — 型臂與P型臂，其藉由傳導片熱並聯且 201041195 " 電串聯。 5·:申請專利範圍第1項之分裂式熱電結構，其中該等 臂之该等熱電層及該等連接層中 、A 蚀尸搂士兮思1 母者的材料經選擇以 使付構成該層之材料的優值之最大值以與該層之 能關係密切之方式發生。 皿又 二申：專利範圍第1項之分裂式熱電結構，其中該等 層中之母-者的材料經選擇以使得相鄰熱電層與連接層之 一致性因數彼此儘可能接近。 Ο 以申：專利範圍第6項之分裂式熱電結構，其中該等 層中之母一者的材料經選擇以使得相鄰層 數的比小於二比一。 f π U 8·如申請專利範圍第1項之分裂式熱電結構，其中談算 連接層是由一純金屬、金屬合金、 两口i P型摻雜金屬、n型摻雜 金屬、Ρ型摻雜半導體材料或η型推雜半導體材料製成。 9.如申請專利範圍第！項之分裂式熱電結構其中該姓 f在該結構内發生之局部物理現象之位置處被修改，以^ ί)最佳化该熱電結構之功率輸出或熱傳遞。 1〇·如申請專㈣圍第9項之分裂式熱電結構，盆中對 於冷卻應用’該結構是以下列方式中之一或多者修改： a'將熱絕緣應用於發生負泊耳帖效應（PeUier effect)之區； b.在正泊耳帖效應形成之接面處提供增強自該熱電 層至環境之熱散逸的構件； °·在熱側外部接面處提供增強自該連接層至周圍環 201041195 境之熱傳遞的構件；及 載之構件，該外部負載可歸因 •effect)而擴散至該等熱電層 d. 提供最小化外部負 於連接線之焦耳效應（J〇ule 中。 η·如申請專利範圍第9項之分裂式熱電結構，其中對 於發電應用，該結構是以下列方式中之—❹者修改： …著熱流穿經該熱電臂之整個路徑添加 使該臂與周圍環境絕緣； b·在冷側處提供增強至環境之熱傳遞的構件；及 ϋ擇具有在外部冷側接面及内部熱側接面處減少 泊耳帖效應之性質及參數的熱電材料及導體。 *12.如申請專利範圍第i項之分裂式熱電結構，其中該 =熱電層及該等連接層中之每—者的長度與橫截面面積: 古經調整以減少焦耳熱及逆擴散效應，藉此允許使用具有 两西白克係數（Seebeek eGeffieient)以及高 : 阻率之熱電材料。 午及低熱 人· 13.如中請專利範圍第2項之分裂式熱電結構，其包 2 : -呈-單晶體形式之第一熱電層，其與_印刷電路或 :別電子晶片直接熱接觸；一由同一類型之—不同材料 成的第二熱電層，其與一散熱器熱接觸以使由該晶體吸 之熱散逸；及-連接層，其將該晶體連接至該第二 層。 ’、’、电 !4·如甲靖專利範 ”a恐电租構，其中 ‘、、、製造程序之部分，該晶體直接生長、按壓或膠合至該 62 201041195 刷電路或電子晶片之表面上。 15.如申請專利範圍第1項之分裂式熱電結構，其中一 回饋系統用來使該物件之溫度穩定於一目標溫度。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之分裂式熱電結構，其中該 回饋系統包含經定位以感測該臂上之任何位置處的溫度的 一或多個熱電耦，此後，在一熱電耦感測到相對於所需溫 度之一偏差時，發送一信號以啟動一電源供應器，該電源 供應器將一電流供應至該結構以補償該溫度改變。 〇 八、圖式： (如次頁） ❹ 63